一種小型太陽能二次換熱系統設計軟件的開發

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(寧夏大學機械工程學院1，寧夏 銀川 750021；寧夏大學新能源研究中心2，寧夏 銀川 750021；寧夏大學物理電氣信息學院3，寧夏 銀川 750021)

0 引言

開發利用新能源，是目前節能減排、環境保護、實現能源持續供給的主要方法[1]，也是解決我國人民生活用熱水的新途徑，其中太陽能熱水器就是途徑之一。太陽能熱水器是將太陽輻射能轉化為熱能，將水從低溫加熱到高溫，以滿足人們在生活、生產中的熱水使用。

目前，國內的太陽能熱水器應用主要以直接系統為主，即用戶消費的熱水直接來自熱水器保溫水箱。在直接熱水系統使用過程中，水箱內流體經反復循環和使用易滋生各種細菌，導致生活熱水被污染，給人們的健康帶來危害。

在太陽能利用過程中，還存在另外一個主要問題，即由于太陽能的間歇性、能流密度低[2]以及輻射強度的不斷變化，在熱水的取用過程中不能滿足能量連續性的需求。

為了解決生活熱水水質及能量儲存問題，本文在現階段常用普通熱水器的基礎上設計了一種二次換熱太陽能熱水器。這種太陽能二次換熱系統具有以下特點：

① 熱水出水壓力源自冷水壓力，熱水壓力澎湃；

② 冷熱壓力匹配，出水溫度容易調節，不會忽冷忽熱；

③ 使用換熱盤管進行換熱取水，不使用水箱內一次水，自來水經過盤管換熱迅速頂出，二次換熱，不含亞硝酸鹽及致病菌團，水質新鮮，可飲用；

④ 太陽能熱水器不需要人工補水，不會串水；

⑤ 太陽能真空管、水箱內無水垢積結，無需清洗，延長了太陽能熱水器的使用壽命。

針對太陽能二次換熱系統設計計算過程復雜繁瑣，本文采用Visual Basic 6.0和Access 2007數據庫構建了太陽能二次換熱系統的設計計算軟件。該軟件對指導太陽能二次換熱系統的設計具有一定的實際應用價值和指導意義。

1 系統結構

太陽能二次換熱系統屬于間接式系統，是由全玻璃真空太陽集熱管、保溫水箱、內置盤管換熱器、集熱器支架、保溫水箱進口開關閥及循環泵等組成的一個強制循環系統。系統結構如圖1所示。

圖1 太陽能二次換熱熱水系統結構圖

2 軟件介紹

2.1 軟件編制語言

本軟件是利用Visual Basic 6.0(以下簡稱VB)語言設計開發的。VB的數據類型、數據運算及程序控制結構等基本概念對于任何語言都是一致的，既易于代碼編寫，又便于界面設計，效果更為直觀[3]。另外，VB語言編制屬于面向對象的編程。這符合本軟件對不同型號真空管和系統在不同地區的使用和計算分析的要求，編程工作更加方便和靈活。

在太陽能二次換熱系統的設計過程中，需要根據設計要求、工作條件處理大量的數據，如用戶平均日用水量、所需熱水的溫度、年平均日太陽輻射量、流體的黏度、流體的密度、雷諾準數、普朗特數、傳熱系數、盤管傳熱面積、盤管長度等。

這些數據的計算、查表費時費力。因此，采用Visual Basic 6.0和Access數據庫構建了太陽能二次換熱系統的設計計算軟件。設計者只要輸入和選取相應的參數，就能夠得出太陽能二次換熱系統的相關參數，提高了設計效率和計算精度。

2.2 軟件功能的實現

在系統設計過程中，主要利用Visual Basic中常用的控件來完成各種功能，如文本框控件(Text box)、標簽控件(Label)、命令按鈕控件(Command button)、單選按鈕控件(Option button)、組合框控件(Combo box)以及一些事件。

本文搭建的全玻璃真空管太陽能二次換熱系統可分為兩大模塊：集熱裝置的設計計算模塊和換熱裝置的設計計算模塊。

2.2.1 集熱裝置的設計計算

集熱裝置的設計計算包括：集熱器總集熱面積的確定、熱水器容量的確定、真空管管數的確定、真空管最小間距的確定、水箱長度和直徑的確定。

這些設計參數的計算都有相應的設計標準，但每次設計都要進行查詢、驗證等操作，這樣既費時又費力，而且準確度不能夠保證。因而，將設計計算公式編寫為程序，軟件設計者只要輸入和選取相應的參數，就可以得到全玻璃真空管太陽能二次換熱系統的設計計算結果。

集熱裝置的設計計算通過后臺程序完成。在集熱裝置參數計算界面，點擊命令按鈕開始計算，軟件即自動計算出所需要的設計參數。集熱裝置的設計參數計算流程如圖2所示。

圖2 集熱裝置的設計參數計算流程框圖

2.2.2 換熱裝置的設計計算

換熱裝置的設計參數計算流程如圖3所示。

圖3 換熱裝置的設計參數計算流程框圖

換熱裝置的設計計算包括：雷諾準數的確定、普朗特數的確定、傳熱系數確定、盤管傳熱面積的確定、盤管長度的確定。

根據設計手冊，在VB軟件后臺對設計參數的計算公式進行編程。設計者只要輸入和選取相應的參數，計算結果便顯示在界面上，供設計者運用，這樣既方便又準確。換熱系統的設計計算是通過后臺程序完成的，點擊開始計算按鈕，軟件自動計算出所需要的設計參數。

2.2.3 數據的管理

數據管理的功能分成兩部分：一是數據庫功能，二是輔助功能[8]。

數據庫功能主要是針對在計算過程中需要用到的大量數據(如各地區的平均日太陽輻照量、流體的各種屬性等)建立一個數據庫。只要用戶選擇相應的名稱,就可在數據庫中調用相關數據,無需自行查找輸入。

輔助功能主要是對軟件計算處理后的數據進行統一的管理和維護，可以實現數據導入、存儲、修改、打印、輸出等功能。

目前，有兩種數據接口方式：一種是采用數據控件(data控件和Adodc1控件)連接Access 2007數據庫；一種是采用數據訪問對象來連接數據庫。另外 Adodc1 適用于Excel 表格、文本文件、圖形文件等數據文件。這樣可以完善系統設計軟件的儲存數據類型以及輸出文件格式。

對于計算后數據的導出、存儲，采用編寫程序后，點擊保存結果按鈕，結果自動保存到Excel表格中，供設計者使用。

3 軟件應用實例

以設計一套全玻璃真空管集熱系統為例。

集熱系統設計參數如下。已知在銀川地區某用戶平均日用熱水量300 L，所需要的熱水溫度為65 ℃，進入水箱前的冷水溫度為10 ℃。選用長為1 800 mm、外徑為58 mm的真空管，計算集熱裝置的設計參數。

換熱系統設計參數如下。已知常溫水在φ16×0.5 mm的管內流動用以換熱，流速為0.95 m/s，溫度從10 ℃升至45 ℃，盤管的曲率半徑為0.175 m。

輸入已知條件，選擇相關參數后得到的計算結果如表1所示。

表1 真空管太陽能集熱系統參數

4 結束語

針對系統的設計計算復雜和繁瑣，采用Visual Basic 6.0和Access 2007數據庫構建了太陽能二次換熱系統的設計計算軟件。該軟件解決了太陽能二次換熱系統設計計算效率低、易出錯等問題，實現了選型計算的智能化，減少了系統設計計算時間，提高了工作效率，保證了計算的準確度，是一款具有實際應用價值和指導意義的軟件。

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